方勝吉

摘 要：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展極大地影響了人們的生活和工作方式。我們通常談到的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)一般是有中心的，需要提前架設(shè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施才能正常運(yùn)行的，如蜂窩式通信系統(tǒng)，移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)等。但在某些特殊場(chǎng)合，無(wú)法建立此類(lèi)有中心的網(wǎng)絡(luò)。比如，在戰(zhàn)場(chǎng)上快速前進(jìn)中的戰(zhàn)斗部隊(duì)，空中的飛行編隊(duì)等場(chǎng)合的移動(dòng)通信就是如此。這些場(chǎng)合的通信不能依賴(lài)于任何事先架設(shè)好的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，而需要一種能夠在短時(shí)間內(nèi)快速自動(dòng)組網(wǎng)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)支持，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)就很好地滿(mǎn)足了這樣的要求，而本文分析的就是Ad Hoc的體系結(jié)構(gòu)，為對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)；Ad-Hoc；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）24-0039-02

1 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的概念

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種沒(méi)有有線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施或中央控制器支持，由一組自主的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)或終端通過(guò)某種協(xié)議或策略結(jié)合在一起形成的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不同的是，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)無(wú)需任何網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的管理支持就可以動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建WLAN。在A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò)中，由于終端無(wú)線(xiàn)覆蓋取值范圍的有限性，若兩個(gè)移動(dòng)主機(jī)處于彼此的通信范圍之內(nèi)，它們可直接通信；當(dāng)兩個(gè)無(wú)法直接通信的移動(dòng)主機(jī)要建立數(shù)據(jù)連接時(shí)，需要通過(guò)這兩臺(tái)主機(jī)之間的移動(dòng)主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)。因此，在A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)主機(jī)還應(yīng)具有路由功能，即可實(shí)現(xiàn)尋找路由和轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的功能。由于每臺(tái)主機(jī)的通信范圍有限，因此，數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)多跳，才能從源主機(jī)發(fā)往目的主機(jī)。故Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)也被稱(chēng)為多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

2 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)廣闊的應(yīng)用前景引起了越來(lái)越多網(wǎng)絡(luò)研究人員的關(guān)注，國(guó)際上對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的研究使之成為了無(wú)線(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)，移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)從無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中的一個(gè)小分支逐漸發(fā)展為了一個(gè)較獨(dú)立的領(lǐng)域。目前，整個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)研究中的熱點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

（1）服務(wù)質(zhì)量的保證：目前為了保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，通常采用兩種策略：一是提供足夠的網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)避免資源競(jìng)爭(zhēng)；二是為不同分組劃分優(yōu)先級(jí)，然后根據(jù)優(yōu)先級(jí)的不同提供不同的服務(wù)來(lái)保證某些特定業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

（2）跨層設(shè)計(jì)：有研究表明，不同的路由層協(xié)議與不同的鏈路層協(xié)議結(jié)合，或選擇不同節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模型都會(huì)嚴(yán)重影響到網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。所以不能僅從協(xié)議分層這一單一的角度來(lái)設(shè)計(jì)協(xié)議，更要根據(jù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，將不同協(xié)議層所特有的問(wèn)題集中起來(lái)考慮。

（3）安全：鑒于A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)面臨著各種各樣的安全問(wèn)題，如黑洞攻擊、路由表溢出攻擊、假冒攻擊等主動(dòng)攻擊及節(jié)點(diǎn)間的認(rèn)證等其他安全問(wèn)題。

（4）能耗：由于A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可能處于移動(dòng)的狀態(tài)，故而只能使用電池供電。在這種在不能更換電池、能源受限的情況下，如何有效地利用電池中的能源，成為了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)能否大規(guī)模應(yīng)用的核心問(wèn)題之一。

（5）信道接入技術(shù)：信道接入技術(shù)控制著節(jié)點(diǎn)如何接入無(wú)線(xiàn)信道，是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)信道不同于普通的共享廣播信道及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道，是多跳共享的多點(diǎn)信道。

（6）與其他網(wǎng)絡(luò)的互連：目前，這方面研究的熱點(diǎn)集中在和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的連接以及和現(xiàn)有的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的連接上。研究結(jié)果表明，采用Ad Hoc方式接入，可提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命，但會(huì)增加端-端時(shí)延；在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中采用Ad Hoc技術(shù)，可以在發(fā)射功率不變的情況下擴(kuò)大接入點(diǎn)的覆蓋范圍，增加無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)的性?xún)r(jià)比。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)成果主要在集中在以下幾個(gè)方面：

（1）提出新的路由協(xié)議。目前，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中普遍得到認(rèn)可的具有代表性的協(xié)議有DSDV、DSR、AODV、TORA和ZRP等協(xié)議。

（2）Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)的互聯(lián)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)存無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)的聯(lián)通，相當(dāng)于將Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)設(shè)備添加到蜂窩網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)兩種不同網(wǎng)絡(luò)的組合，達(dá)到合理資源共享的目的。

（3）提出新的基于A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制（MAC）協(xié)議。比較知名的成果為MACA協(xié)議，即RTS/CTS/ACK方案，控制信道和數(shù)據(jù)信道分裂的雙信道方案和基于定向天線(xiàn)的MAC協(xié)議，以及針對(duì)MAC協(xié)議中的個(gè)別類(lèi)進(jìn)行修改，修改后的新協(xié)議主要是為了解決隱藏終端和暴露終端問(wèn)題。另外還有一些研究是側(cè)重于將IEEE 802.11的MAC協(xié)議移植到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中。

（4）在實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建上。如何使用藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)組建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是這方面成果之一。

（5）基于A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò)的多播/組播路由協(xié)議、功率（節(jié)能）控制、分布式算法、安全性問(wèn)題、TCP協(xié)議、QoS、地址分配等方面也有一些研究成果，但各部分成果的數(shù)量相對(duì)較少。

3 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在很多方面均區(qū)別于其他通信網(wǎng)絡(luò)，其最大的特點(diǎn)是可以自動(dòng)配置、自發(fā)現(xiàn)、自組織和自愈。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能夠快速檢測(cè)、探測(cè)出其他節(jié)點(diǎn)的存在，無(wú)需人工干預(yù)或其他預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的調(diào)節(jié)，通過(guò)分布式算法來(lái)協(xié)調(diào)彼此的行為，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化，在任何時(shí)刻、任何地方快速展開(kāi)并自動(dòng)組網(wǎng)。除此之外，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)還具有以下一些主要特征：

（1）動(dòng)態(tài)拓?fù)洌汗?jié)點(diǎn)可以自由的加入或者離開(kāi)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。

（2）無(wú)線(xiàn)多跳通信：由于無(wú)線(xiàn)信號(hào)的衰減特性，無(wú)線(xiàn)通信范圍外的數(shù)據(jù)通信需要由中間節(jié)點(diǎn)（普通節(jié)點(diǎn)）完成路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。

（3）完全分布式：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是由對(duì)等節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，不存在中心控制節(jié)點(diǎn)，管理和組網(wǎng)都非常簡(jiǎn)單靈活。

（4）嚴(yán)格的資源限制：有限的帶寬和能源是所有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的普遍特征，但由于無(wú)線(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有基站的支持，依靠有限的能量——電池供電，且需要提供路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，資源限制更為嚴(yán)峻。

（5）物理上安全性差：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，更容易受到被動(dòng)竊聽(tīng)、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)、剝奪睡眠等網(wǎng)絡(luò)攻擊，使得Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的安全性問(wèn)題比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜得多。

4 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為四種：中心式控制結(jié)構(gòu)、分層中心式控制結(jié)構(gòu)、完全分布式控制結(jié)構(gòu)和分層分布式控制結(jié)構(gòu)。其中，前兩種屬于集中式控制結(jié)構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為普通節(jié)點(diǎn)和中心控制節(jié)點(diǎn)兩種。中心控制節(jié)點(diǎn)相對(duì)較復(fù)雜，要有很強(qiáng)的運(yùn)算處理能力，負(fù)責(zé)路由和流量控制等網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)功能。鑒于A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地位平等的特點(diǎn)，不適合采取這兩種集中控制式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。特別是軍事運(yùn)用場(chǎng)合，若中心節(jié)點(diǎn)遭到破壞，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)大面積癱瘓，造成嚴(yán)重后果。因此，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)一般采用分布式控制結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)地位平等，網(wǎng)絡(luò)健壯性較好。由于這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性不是很好，在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少的情況下，這種結(jié)構(gòu)的安全性較好；但是，若網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)過(guò)多，且節(jié)點(diǎn)移動(dòng)太頻繁，則網(wǎng)絡(luò)的通信開(kāi)銷(xiāo)會(huì)呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，很難實(shí)施集中式管理和控制。所以，這種平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)經(jīng)常用于規(guī)模不大的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。

而另外一種結(jié)構(gòu)為分層分布式控制結(jié)構(gòu)，即分層Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)被分為了多個(gè)層及多個(gè)簇。每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成。根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)條件、不同的算法產(chǎn)生簇頭，簇頭負(fù)責(zé)簇與簇之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)低層向高層傳輸數(shù)據(jù)也是通過(guò)簇頭。這種分層分布式結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是：簇與簇之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)由簇頭完成，普通內(nèi)部成員不用維護(hù)復(fù)雜的路由信息，這樣做可大量減少網(wǎng)絡(luò)中路由的開(kāi)銷(xiāo)，提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，而且分層分布式結(jié)構(gòu)適用于各種規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。但這種結(jié)構(gòu)中簇頭的產(chǎn)生需要進(jìn)行一定的計(jì)算，并且網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸必須通過(guò)簇頭，就有可能使得數(shù)據(jù)不是沿著最佳路由傳輸，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能造成一定的負(fù)面影響。同時(shí)，簇頭可能成為網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸。目前，此類(lèi)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多用于軍事應(yīng)用中。

5 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究最初是為了滿(mǎn)足某些軍事需要。在戰(zhàn)爭(zhēng)中，由于通信系統(tǒng)易受到對(duì)方的攻擊，若采用集中式的通信系統(tǒng)，一旦通信中心遭到破壞，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。因此，軍隊(duì)通信系統(tǒng)需要具有自組性、抗毀性和機(jī)動(dòng)性，需要能抵御一定程度的攻擊手段。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)正好滿(mǎn)足了這些要求。除過(guò)在軍事方面的應(yīng)用，小規(guī)模的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)也具有很大的商業(yè)價(jià)值，其應(yīng)用環(huán)境包括家庭、辦公室、教室、醫(yī)院等。例如在家庭環(huán)境中，可為用戶(hù)建立無(wú)線(xiàn)Ad Hoc家庭網(wǎng)絡(luò)，把所有的家用電器用網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，比如把電燈、電腦、電視、洗浴用具、保安系統(tǒng)等連在一起，從而實(shí)現(xiàn)資源共享，實(shí)行統(tǒng)一化管理。不斷發(fā)展的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)，像802.11、藍(lán)牙等也給Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了動(dòng)力。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)潛在的應(yīng)用很多，可分為以下幾類(lèi)：

個(gè)人網(wǎng)絡(luò)：通過(guò)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)把個(gè)人的電子通信、娛樂(lè)、辦公等設(shè)備聯(lián)系在一起，這些設(shè)備在執(zhí)行用戶(hù)的某項(xiàng)活動(dòng)時(shí)彼此通信，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)將任務(wù)發(fā)送到最終的設(shè)備上。在這種情況下，移動(dòng)性將不是問(wèn)題。

家庭網(wǎng)絡(luò)：通過(guò)移動(dòng)聯(lián)網(wǎng)的方式將家庭中的電器接入同一個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。利用我們隨身攜帶的個(gè)人移動(dòng)設(shè)備與裝備了Ad Hoc收發(fā)器的家庭電器通信，自動(dòng)完成開(kāi)燈、開(kāi)門(mén)、開(kāi)關(guān)家用電器設(shè)備等操作。

移動(dòng)會(huì)議：在室內(nèi)外臨時(shí)環(huán)境中，參加會(huì)議的所有成員攜帶的包含Ad Hoc收發(fā)器的移動(dòng)終端設(shè)備可以通過(guò)Ad Hoc方式組成一個(gè)臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)時(shí)交換信息或協(xié)同完成某一項(xiàng)任務(wù)。

緊急服務(wù)：在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)出現(xiàn)停電或自然災(zāi)害，可以臨時(shí)組建一個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)幫助緊急救援人員完成必要的通信工作。

傳感器網(wǎng)絡(luò)：傳感器可以工作在危險(xiǎn)的環(huán)境（如化學(xué)有害物質(zhì)泄漏現(xiàn)場(chǎng)、活躍的火山口等），通過(guò)在傳感器上裝備位置指示器、Ad Hoc收發(fā)器等，將傳感器所在地區(qū)的信息傳送到危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)以外，救援人員不必進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)去收集和辨別有用的信息。

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